As utilidades das ondas ultrassônicas vão muito além dos demais métodos convencionais de extração. Isto deve-se a capacidade das ondas de penetrarem diferentes meios, antes inacessíveis, com um grande insumo energético proveniente de oscilações cavitacionais e choques de ondas (ESMINGER, 2009).
3.5.2.1. Cavitação Acústica
Ondas sonoras propagam-se no meio através da compressão e descompressão (expansão) deste. As moléculas do meio sofrem a pressão positiva na compressão e em seguida são levadas à uma expansão, pressão rarefeita, forçando a dispersão das moléculas. Durante a expansão, a rarefação, provoca o rompimento das forças de coesão moleculares e a consequente formação de microbolhas ou cavidades contendo líquido vaporizado ou gases dissolvidos nos líquidos (Figura 9). Continuando o ciclo de propagação da onda, a compressão seguinte leva ao colapso destas microbolhas, gerando altas energias em seu interior, com pressões da ordem de centenas de atmosferas e temperatura de milhares de graus celsius (BARBOZA e SERRA, 1992).
36 Figura 9: Modelo de bolha de cavitação quando em meio homogêneo.
Fonte: Adaptado de CHEN, 2012.
É este grande insumo energético o interesse da sonoquímica, é baseado no potencial de utilização destas grandes energias para promover reações, derivatizações e rompimentos moleculares. O colapso das microbolhas pode ser observado pela elevação da temperatura e da pressão nas imediações da bolha, no qual a onda de choque produzida em colapso irá criar enormes forças de cisalhamento. A cavitação ocorre numa ampla faixa de frequências, de 20 a 1000 kHz (Figura 10) (MASON, 1989).
Figura 10: Ilustração representativa do fenômeno de cavitação. Fonte: PRIEGO-CAPOTE, 2008.
A implosão das bolhas produz temperaturas e pressões extremamente altas, estimadas em aproximadamente 5000°C e 2000 atm. No entanto, este fenômeno
37 ocorre numa escala muito pequena em relação ao meio, fazendo com que toda esta energia seja rapidamente dissipada (CASTRO, CAPOTE; 2007)
O distanciamento entre as microbolhas de gases dissolvidos no meio líquido é chamado ―cavidade‖, onde é devido a esta distância que muitos fenômenos de ultrassom são justificados (Figura 11).
Figura 11: Ilustração do posicionamento livre quando no equilíbrio e sobre a influência de ondas acústicas.
Fonte: Adaptado de CHEN, 2012.
O crescimento da cavidade em líquidos depende da intensidade das ondas. Para ondas de ultrassom de baixa intensidade, ou seja, alta frequência, o tamanho da cavidade varia com a compressão e expansão. A área superficial desta cavidade é maior que a área superficial de cavidades provenientes de ultrassom de alta intensidade. Embora, em altas frequências, mais bolhas de cavitação são formadas, estas são muito pequenas e colapsam com pouca energia (MASON, 1988).
O crescimento da cavidade pode atingir um tamanho crítico, no qual absorverá de modo muito eficiente a energia do ultrassom. A formação deste tamanho crítico depende da frequência do ultrassom. Em baixas frequências a cavidade sofre um rápido crescimento até um ponto que não pode mais absorver energia do ultrassom eficientemente. Sem essa energia absorvida, a cavidade não pode sustentar-se e a cavidade implode, dando origem à cavitação (WU, 2008).
A cavitação é também influenciada pela presença e natureza dos gases dissolvidos no líquido. Quanto maior o teor de gases dissolvidos, mais núcleos cavitantes podem ser formados. Somado a isto, há o efeito do calor específicos dos gases, que podem transferir mais energia para o crescimento da cavidade, seguida da cavitação de alta energia. Além disto, há outro fator que deve ser considerado, onde gases com alta solubilidade no líquido reduzem o efeito da cavitação, pois possuem grandes forças intermoleculares que contribuem com sua re-dissolução (WEBSTER, 1963).
A viscosidade do líquido também interfere significativamente na formação da cavitação, líquidos mais viscosos tornam mais difícil a formação da cavitação.
38 Dentre as justificativas há o efeito da maior resistência à mobilidade dos núcleos e ao seu crescimento. No ciclo de rarefação as forças coesivas das moléculas do líquido não são superadas exigindo que ondas de maior amplitude (potência) sejam utilizadas (THOMPSON, 1999).
Altas frequências de ultrassom inicialmente favorecem a formação de mais colapsos, porém de baixas energias. No entanto, este limiar é bastante sensível, pois os colapsos de baixas energias não possuem tendências à ocorrerem. As altas frequências produzem ciclos de expansão e compressão em curtos períodos de tempo, não permitindo a formação e implosão das microbolhas (BARBOZA e SERRA, 1992; CHEN, 2012).
O tempo de irradiação do ultrassom é outro fator que exerce influência sobre os processos de cavitação. Quanto maior o tempo, maior a probabilidade de captação de núcleos pelo campo do ultrassom e maiores as chances de formação de microbolhas. Mas obviamente há um tempo ótimo para cada processo em relação à cada fluido, que vai depender do conteúdo de gases dissolvidos, viscosidade, presença de sólidos em suspensão e da temperatura (POVEDANO e CASTRO, 2013).
A temperatura exerce uma influência indireta nos fenômenos de cavitação. O aumento da temperatura aumenta a pressão de vapor do meio, facilitando a cavitação. Mas devido a maior mobilidade das moléculas do fluido aquecido as microbolhas podem atingir dimensões em que a implosão torna-se menos energética. O resfriamento do fluido causa o aumento da viscosidade e da tensão superficial, ocasionado um maior limiar da cavitação (KYLLONEN; et al., 2005; SUSLICK, 1989).
A cavitação, devido a sua capacidade de rompimento da coesão molecular, tem sido aplicada com muita eficiência em processos de extração de líquidos e sólidos. E processos como estes contam ainda com a vantagem de serem métodos não destrutivos e muito pouco tóxicos.
3.5.2.2. Ondas Estacionárias
São ondas formadas quando um refletor perfeitamente perpendicular à direção de propagação da onda provoca a reflexão de ondas no mesmo sentido mas de direção contrária (Figura 12).
39
Figura 12: Ilustração da formação de ondas estacionárias.
Fonte: SÁ, 2015.
A equação para a onda estacionária é simplesmente a adição de duas ondas que se propagam em sentidos contrários:
( )
(
)
(13)
Onde: i = (-1)1/2, ω=2πf é a frequência angular, κ=ω/c é o número de onda, A e B são as amplitudes máximas das ondas diretas e inversas, respectivamente (CHECK, 2013).
A interferência entre dois planos de ondas resulta na formação de uma zona paralela de amplitude estacionária de velocidade máxima (velocidade do plano antinodal) e velocidade zero (velocidade do plano nodal). Em um campo de ondas estacionárias ideal, há forças atuando que promovem o acúmulo de moléculas ou materiais dispersos nas localizações dos planos nodais. Estas forças são muito utilizadas em procedimentos que objetiva-se estes acúmulos, em procedimentos como o realizado por Ronchi (2014), onde busca-se desestabilizar emulsões, favorecendo a coalescência de gotas de óleo numa emulsão O/A.